專利名稱：燃料電池及燃料電池用隔板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池及燃料電池用隔板。
背景技術(shù)：
近年來，能量轉(zhuǎn)換效率高并且不會(huì)因發(fā)電反應(yīng)而產(chǎn)生有害物質(zhì)的燃料電池受到關(guān)注。作為這類燃料電池的一種，已知有在100℃以下的低溫下動(dòng)作的固體高分子型燃料電池。
固體高分子型燃料電池是具有將作為電解質(zhì)膜的固體高分子膜配置在燃料極和空氣極之間的基本構(gòu)造，向燃料極供給含有氫的燃料氣體，向空氣極供給含有氧的氧化劑氣體，利用以下的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電的裝置。
燃料極(1)空氣極(2)燃料極中，所供給的燃料中所含的氫如所述式(1)所示，被分解為氫離子和電子。其中的氫離子在固體高分子電解質(zhì)膜的內(nèi)部向空氣極移動(dòng)，電子通過外部電路向空氣極移動(dòng)。另一方面，空氣極中，向空氣極供給的氧化劑氣體中所含的氧與從燃料極移動(dòng)過來的氫離子及電子反應(yīng)，如所述式(2)所示，生成水。像這樣，由于外部電路中，電子從燃料極向空氣極移動(dòng)，因此就可以輸出電能。
另外，在燃料極及空氣極的外側(cè)設(shè)有隔板。在燃料極側(cè)的隔板上設(shè)有燃料氣體流路，向燃料極供給燃料氣體。同樣，在空氣極側(cè)的隔板上也設(shè)有氧化劑氣體流路，向空氣極供給氧化劑氣體。而且，本說明書中，將燃料氣體及氧化劑氣體合稱為「反應(yīng)氣體」。另外，在這些隔板之間，設(shè)有用于冷卻電極的冷卻水的流路。
這里，反應(yīng)氣體通常被加濕器加濕而導(dǎo)入，當(dāng)在反應(yīng)氣體供給用的岐管內(nèi)被冷卻時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的冷凝水。但是，在以往的燃料電池用隔板中，在從反應(yīng)氣體供給孔向反應(yīng)氣體流路的導(dǎo)入部中，未采用防止冷卻的手段，來自反應(yīng)氣體的冷凝水匯集在隔板的反應(yīng)氣體供給孔上，從而有從反應(yīng)氣體供給孔侵入反應(yīng)氣體流路之類的問題。所以，以往的燃料電池用隔板中，反應(yīng)氣體的流路被冷凝水所堵塞，阻礙向電極表面的均勻的反應(yīng)氣體的供給，燃料電池的輸出降低。
所以，提出了避免因氣體中的水分的冷凝、結(jié)露造成的電池特性的降低的方案(專利文獻(xiàn)1)。專利文獻(xiàn)1中，記載有通過在用于燃料氣體的供給的開口部的附近的側(cè)端部設(shè)置隔板的冷卻水通流槽來使氣體入口側(cè)岐管的部分升溫。
但是，專利文獻(xiàn)1的構(gòu)成中，從抑制燃料電池的輸出的降低的觀點(diǎn)考慮還有改良的余地。另外，由于有必要設(shè)置用于向氣體入口側(cè)供給加熱水的連通管，因此燃料電池整體的構(gòu)成復(fù)雜化、大型化。
特開平10-64562號(hào)公報(bào)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是鑒于所述情況而提出的，其目的在于，提供使燃料電池的輸出特性穩(wěn)定的技術(shù)。
本發(fā)明人從使燃料電池的輸出特性穩(wěn)定的觀點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行了深入研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以往的燃料電池的構(gòu)成中，無法充分地抑制由被加濕的反應(yīng)氣體產(chǎn)生的冷凝水造成的反應(yīng)氣體的供給阻礙。
所述的專利文獻(xiàn)1的構(gòu)成中，形成于隔板的一方的面上的氣體入口貫穿另一方的面，在氣體入口所貫穿的另一方的面上形成有入口側(cè)岐管(manifold)。所以，雖然在氣體入口的附近設(shè)有冷卻水通流槽，但是在從氣體入口經(jīng)由氣體入口側(cè)岐管向氣體通流槽供給反應(yīng)氣體的路徑中，無法充分地抑制反應(yīng)氣體的冷卻。所以，反應(yīng)氣體的穩(wěn)定的供給會(huì)被在氣體入口側(cè)岐管或氣體通流槽中產(chǎn)生的冷凝水所妨礙。
像這樣，當(dāng)被加濕的高露點(diǎn)溫度的反應(yīng)氣體因放熱而被冷卻時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生冷凝水。由于當(dāng)產(chǎn)生冷凝水時(shí)，反應(yīng)氣體的供給路徑即被水阻塞而阻礙流動(dòng)，因此就會(huì)導(dǎo)致輸出特性的不穩(wěn)定化。所以，本發(fā)明人從抑制反應(yīng)氣體流路的上游的反應(yīng)氣體的冷卻并使反應(yīng)氣體的露點(diǎn)溫度提高的觀點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)行了反復(fù)的研究，從而達(dá)成了本發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明，提供具有如下特征的燃料電池，即，具有包括電解質(zhì)及配設(shè)于該電解質(zhì)的兩面的一對電極的膜電極接合體、夾持所述膜電極接合體的一對隔板，在所述一對隔板上，分別設(shè)有反應(yīng)氣體供給用開口部，在另一方的面上，具有反應(yīng)氣體流路、將反應(yīng)氣體從所述反應(yīng)氣體供給用開口部導(dǎo)向所述反應(yīng)氣體流路的反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路，在至少一方的所述隔板的所述反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路的背面設(shè)置了冷卻水的流路。
本發(fā)明的燃料電池中，將本來為了冷卻電極的反應(yīng)熱而供給的冷卻水以簡單的構(gòu)成向反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路的背面供給。由此，可以利用冷卻水的熱抑制反應(yīng)氣體的冷卻，使反應(yīng)氣體的露點(diǎn)溫度提高。這樣就可以抑制反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路和岐管周邊的冷凝水的產(chǎn)生。所以，就可以將高加濕的反應(yīng)氣體向膜電極接合體可靠地供給。由此就可以抑制冷凝水進(jìn)入反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路，可靠地進(jìn)行反應(yīng)氣體的供給。像這樣就可以提供輸出的穩(wěn)定性優(yōu)良的燃料電池。
根據(jù)本發(fā)明，提供具有如下特征的燃料電池隔板，即，具有反應(yīng)氣體供給用開口部、設(shè)于一方的面上的反應(yīng)氣體流路及從所述反應(yīng)氣體供給用開口部將反應(yīng)氣體導(dǎo)向所述反應(yīng)氣體流路的反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路，在所述反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路的背面設(shè)置了冷卻水的流路。
本發(fā)明的燃料電池用隔板形成了在反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路的背面設(shè)置了冷卻水的流路的構(gòu)成。由此就形成從背面對反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路先進(jìn)行加溫的構(gòu)成。這樣就可以抑制由從反應(yīng)氣體供給用開口部導(dǎo)向反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路的反應(yīng)氣體的冷卻造成的冷凝水的產(chǎn)生。所以，反應(yīng)氣體就經(jīng)由反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路被穩(wěn)定地向反應(yīng)氣體流路供給。由此就可以使燃料電池的輸出穩(wěn)定化。
本發(fā)明中，所述反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路可以采用從所述反應(yīng)氣體供給用開口部的橫向?qū)⑺龇磻?yīng)氣體導(dǎo)向所述反應(yīng)氣體流路的構(gòu)成。這樣就可以使因反應(yīng)氣體的結(jié)露而產(chǎn)生的冷凝水沉降在反應(yīng)氣體供給用開口部的底部。這樣，就可以用簡單的構(gòu)成在除去反應(yīng)氣體中的冷凝水的同時(shí)向反應(yīng)氣體流路穩(wěn)定地供給反應(yīng)氣體。
本發(fā)明中，也可以按照在所述反應(yīng)氣體供給用開口部的外周整體通入所述冷卻水的方式構(gòu)成所述冷卻水的流路。這樣，由于按照覆蓋反應(yīng)氣體供給用開口部的外周部分的方式構(gòu)成冷卻水的流路，因此冷卻水就被更均等地效率優(yōu)良地供給，從而可以更可靠地抑制冷凝水的產(chǎn)生。
本發(fā)明的燃料電池中，也可以如下構(gòu)成，即，在所述一對隔板上設(shè)置冷卻水供給用開口部，所述反應(yīng)氣體供給用開口部及所述冷卻水供給用開口部被設(shè)于所述反應(yīng)氣體流路的上方，所述冷卻水供給用開口部實(shí)質(zhì)上位于所述反應(yīng)氣體供給用開口部的上方，使所述冷卻水從所述冷卻水開口部流向垂直下方。
根據(jù)該構(gòu)成，本來為了冷卻電極的反應(yīng)熱而供給的冷卻水就會(huì)從配置于隔板的上方的冷卻水供給用開口部向垂直下方橫切反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路的背面而流動(dòng)。由此就可以用簡單的構(gòu)成利用冷卻水的熱來抑制反應(yīng)氣體的冷卻，從而抑制冷凝水的產(chǎn)生。
本發(fā)明的燃料電池中，所述反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路也可以包含從所述反應(yīng)氣體供給用開口部朝向上部設(shè)置的連接流路。該構(gòu)成中，連接流路可以將穿過反應(yīng)氣體供給用開口部的反應(yīng)氣體導(dǎo)向隔板的上方。由此，反應(yīng)氣體就會(huì)在反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路中，在首先被導(dǎo)向隔板的上方后，就會(huì)向下方的反應(yīng)氣體流路流動(dòng)。另外，會(huì)形成冷卻水在連接流路的背面流動(dòng)的構(gòu)成。通過采用此種構(gòu)成，就可以使因反應(yīng)氣體的結(jié)露而產(chǎn)生的冷凝水在反應(yīng)氣體供給用開口部的底部沉降。另一方面，高露點(diǎn)溫度的反應(yīng)氣體在連接流路中向上方移動(dòng)。像這樣，本發(fā)明的燃料電池中，就可以用簡單的構(gòu)成實(shí)現(xiàn)將冷凝水除去而導(dǎo)向反應(yīng)氣體流路的機(jī)構(gòu)。由此就可以進(jìn)一步可靠地抑制因在連接流路中移動(dòng)的反應(yīng)氣體包含冷凝水而造成的流路的堵塞。
本發(fā)明的燃料電池中，可以采用如下的構(gòu)成，即，所述冷卻水供給用開口部位于分別供給所述燃料氣體及氧化劑氣體的兩個(gè)所述反應(yīng)氣體供給用開口部之間，與供給所述氧化劑的所述反應(yīng)氣體供給用開口部相比，所述冷卻水供給用開口部更接近供給所述燃料氣體的所述反應(yīng)氣體供給用開口部。
利用該構(gòu)成，可以更有效地抑制即使在相同氣體溫度下由于供給量小于氧化劑氣體而容易受放熱的影響而溫度降低的燃料氣體側(cè)的冷卻，從而可以抑制燃料氣體側(cè)的冷凝水的產(chǎn)生。
本發(fā)明的燃料電池中，所述冷卻水最好比所述燃料氣體及所述氧化劑氣體溫度更高。這樣就可以更有效地加熱燃料氣體及氧化劑氣體，從而抑制冷凝水的產(chǎn)生。
本發(fā)明的燃料電池中，可以將所述氧化劑氣體設(shè)為空氣。
根據(jù)本發(fā)明，提供具有如下特征的燃料電池隔板，即，具有反應(yīng)氣體供給用開口部、設(shè)于一方的面上的反應(yīng)氣體流路及從所述反應(yīng)氣體供給用開口部將所述反應(yīng)氣體導(dǎo)向所述反應(yīng)氣體流路的反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路、冷卻水供給用開口部、設(shè)于另一方的面上的冷卻水流路及從所述冷卻水開口部將冷卻水導(dǎo)向所述冷卻水流路的冷卻水導(dǎo)入流路，將所述冷卻水導(dǎo)入流路設(shè)置在所述反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路的背面。
根據(jù)本發(fā)明，提供如下的燃料電池用隔板，是與第1基板及第2基板接觸而構(gòu)成的燃料電池用隔板，其特征是，所述第1基板具有提供反應(yīng)氣體供給用開口部、設(shè)于與所述第2基板的非接觸面的反應(yīng)氣體流路及從所述反應(yīng)氣體供給用開口部將所述反應(yīng)氣體導(dǎo)向所述反應(yīng)氣體流路的反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路，所述第2基板在與所述第1基板的接觸面上具有冷卻水的流路。
利用該構(gòu)成，可以將本來為了冷卻電極的反應(yīng)熱而供給的冷卻水用簡單的構(gòu)成向反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路的背面效率優(yōu)良地供給。由此可以利用冷卻水的熱抑制由反應(yīng)氣體的放熱造成的冷卻，從而抑制反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路周邊的冷凝水的產(chǎn)生。這樣，由于抑制了冷凝水進(jìn)入反應(yīng)氣體流路，因此就可以可靠地進(jìn)行反應(yīng)氣體的供給。像這樣，就可以提供使燃料電池的輸出特性穩(wěn)定化的燃料電池用隔板。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以使燃料電池的輸出特性穩(wěn)定化。


圖1是表示實(shí)施方式的燃料電池用隔板的構(gòu)成的圖。
圖2是表示實(shí)施方式的燃料電池用隔板的構(gòu)成的圖。
圖3是表示包括圖1及圖2的燃料電池用隔板的燃料電池組的構(gòu)成的分解立體圖。
圖4是表示包括圖3的燃料電池組的燃料電池的構(gòu)成的立體圖。
圖5是用于說明圖1及圖2的燃料電池用隔板的要部構(gòu)成的放大部分略圖。
圖6是表示實(shí)施方式的燃料電池用隔板的設(shè)置了冷卻水流路的面的構(gòu)成的圖。
圖7是用于說明圖6的燃料電池用隔板的要部構(gòu)成的放大部分略圖。
圖8是示意性地表示實(shí)施方式的單電池的剖面構(gòu)造的圖。
圖9是表示實(shí)施方式的燃料電池用隔板的構(gòu)成的圖。
圖10是用于說明實(shí)施方式的燃料電池用隔板的制造方法的圖。
其中，20—固體高分子電解質(zhì)膜，22—燃料極，24—空氣極，26—催化層，28—?dú)怏w擴(kuò)散層，30—催化層，32—?dú)怏w擴(kuò)散層，38—?dú)怏w流路，40—?dú)怏w流路，50—單電池，101—燃料極側(cè)隔板，103—基板，105—燃料流路，106—冷卻水流路，107—燃料供給用第1岐管，109—燃料排出用第1岐管，111—冷卻水供給用第1岐管，113—冷卻水排出用第1岐管，115—燃料供給用第2岐管，117—燃料排出用第2岐管，119—冷卻水供給用第1岐管，121—冷卻水排出用第2岐管，125—燃料導(dǎo)入流路，127—燃料排出流路，129—冷卻水導(dǎo)入流路，131—冷卻水排出流路，133—密封材料，135—凸緣(bead)，141—噴嘴，147—空氣極側(cè)隔板，149—基板，151—密封材料，153—空氣流路，155—空氣供給用第2岐管，157—空氣排出用第2岐管，159—空氣導(dǎo)入流路，167—空氣供給用第1岐管，169—空氣排出用第1岐管，170—空氣排出流路，171—燃料極側(cè)隔板，201—絕緣體，207—集電板，213—端面板，215—單單電池疊層體，217—固定板(tie plate)，219—螺母，221—系桿(tie rod)，223—螺紋部，225—燃料電池，227—連接流路，265—模具。
具體實(shí)施例方式
下面將使用附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。而且，在所有的附圖中，對于相同的構(gòu)成要素使用相同的符號(hào)，在以下的說明中，適當(dāng)省略詳細(xì)的說明。
(實(shí)施方式1)本實(shí)施方式中，對于在一方的面上形成了燃料流路的燃料電池用隔板、在一方的面上形成了空氣流路的燃料電池用隔板及燃料電池，以形成相互大致平行的多條流路的情況為例進(jìn)行說明。另外，本實(shí)施方式中，雖然以在燃料流路的背面形成冷卻水流路的構(gòu)成為例進(jìn)行說明，但是并不限定于此，既可以在空氣流路的背面形成冷卻水流路，或者也可以采用單獨(dú)設(shè)置了在一方的面上形成了冷卻水流路的燃料電池用隔板的構(gòu)成。
圖3(A)是表示包含本實(shí)施方式的燃料電池用隔板的燃料電池組的構(gòu)成的分解立體圖，圖3(B)是從背面看到圖3(A)的燃料電池組的分解立體圖。另外，圖4是表示包含圖3的燃料電池組的燃料電池的構(gòu)成的立體圖。
圖3(A)及圖3(B)中，作為電池組構(gòu)成的例子，表示2個(gè)單電池構(gòu)造的情況。在單電池50的燃料極側(cè)配設(shè)燃料極側(cè)隔板101，在空氣極側(cè)配設(shè)空氣極側(cè)隔板147，通過以此為1個(gè)單位而層疊特定的單位數(shù)獲得電池組。本實(shí)施方式的燃料電池中，雖然對單電池50的層疊數(shù)沒有特別限制，但是例如可以采用50～200單電池左右的疊層體。在電池組的兩端，朝向外側(cè)依次設(shè)置有絕緣體201及端面板213(圖3(A)及圖3(B)中未圖示)。另外，在與絕緣體201相鄰的燃料極側(cè)隔板上，也可以不使用燃料極側(cè)隔板101，而使用未設(shè)置冷卻水流路的燃料極側(cè)隔板171。
而且，燃料電池用隔板被按照其矩形的基板的長度方向成為垂直方向的方式配置而層疊，形成電池組。
下面對單電池50的構(gòu)成進(jìn)行說明。圖8是示意性地表示被隔板夾持的單電池50的剖面構(gòu)造的圖。在單電池50的兩側(cè)設(shè)有燃料極側(cè)隔板101及空氣極側(cè)隔板147。該例中，雖然僅表示一個(gè)單電池50，但是也可以夾隔燃料極側(cè)隔板101或空氣極側(cè)隔板147而層疊多個(gè)單電池50來構(gòu)成燃料電池。
單電池50具有固體高分子電解質(zhì)膜20、燃料極22、空氣極24。燃料極22具有層疊了的催化層26及氣體擴(kuò)散層28，同樣，空氣極24也具有層疊了的催化層30及氣體擴(kuò)散層32。燃料極22的催化層26和空氣極24的催化層30被按照夾隔固體高分子電解質(zhì)膜20而相面對的方式設(shè)置。
在設(shè)于燃料極22的一側(cè)的燃料極側(cè)隔板101上設(shè)有氣體流路38，穿過該氣體流路38向單電池50供給燃料氣體。同樣，在設(shè)于空氣極24的一側(cè)的空氣極側(cè)隔板147上也設(shè)有氣體流路40，穿過該氣體流路40而向單電池50供給氧化劑氣體。具體來說，在燃料電池運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，從氣體流路38向燃料極22供給燃料氣體，例如供給氫氣，從氣體流路40向空氣極24供給氧化劑氣體，例如供給空氣。
固體高分子電解質(zhì)膜20最好在濕潤狀態(tài)下顯示出良好的離子傳導(dǎo)性，作為使質(zhì)子在燃料極22及空氣極24之間移動(dòng)的離子交換膜發(fā)揮作用。固體高分子電解質(zhì)膜20由含氟聚合體或非氟聚合體等固體高分子材料形成，例如可以使用磺酸型全氟碳聚合體、聚砜樹脂、具有膦酸基或羧酸基的全氟碳聚合體等。作為磺酸型全氟碳聚合體的例子，可以舉出Nafion(杜邦公司制注冊商標(biāo))112等。另外，作為非氟聚合體的例子，可以舉出被磺化了的芳香族聚醚醚酮、聚砜等。
燃料極22的催化層26及空氣極24的催化層30最好為多孔膜，由離子交換樹脂和擔(dān)載了催化劑的碳粒子構(gòu)成。所擔(dān)載的催化劑例如使用鉑、釕、銠等的1種或混合使用2種以上。在擔(dān)載催化劑的碳粒子中，有乙炔黑、ketjen black等。
離子交換樹脂起到將擔(dān)載了催化劑的碳粒子和固體高分子電解質(zhì)膜20連接，在兩者之間傳導(dǎo)質(zhì)子的作用。離子交換樹脂也可以由與固體高分子電解質(zhì)膜20相同的高分子材料形成。
燃料極22的氣體擴(kuò)散層28及空氣極24的氣體擴(kuò)散層32具有將所供給的氫氣或空氣向催化層26及催化層30供給的作用。另外，還具有使因發(fā)電反應(yīng)產(chǎn)生的電荷向外部電路移動(dòng)的作用、將水或未反應(yīng)氣體向外部排出的作用。氣體擴(kuò)散層28及氣體擴(kuò)散層32最好由具有電子傳導(dǎo)性的多孔體構(gòu)成，例如由復(fù)寫紙或碳布(carbon cloth)等構(gòu)成。
回到圖4，本實(shí)施方式的燃料電池225中，以電池疊層體215為中心，朝向外側(cè)依次分別設(shè)有一對集電板207、絕緣體201、端面板213，在最外側(cè)配置固定板217。這里，通過設(shè)置集電板207，就可以將在電池疊層體215中產(chǎn)生的電能向外部輸出。另外，通過設(shè)置端面板213，就可以向構(gòu)成電池疊層體215的各板的面內(nèi)施加均勻的壓縮荷重。
夾持電池疊層體215的固定板217在一側(cè)配置有2片。在固定板217上，貫穿有在兩端設(shè)置了螺紋部223的系桿，由螺母219固定。通過這樣設(shè)置，電池疊層體215、集電板207、絕緣體201及端面板213就在被施加了壓縮荷重的狀態(tài)下一體化。而且，絕緣體201可以從具有絕緣性及對于燃料電池的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度的耐熱性的物質(zhì)中選擇，例如可以使用PPS(聚苯硫醚)等。另外，在燃料電池225的周圍也可以設(shè)置絕熱材料(未圖示)。
下面，使用圖1(A)、圖1(B)及圖2(A)、圖2(B)對燃料極側(cè)隔板101及空氣極側(cè)隔板147的構(gòu)成進(jìn)行說明。
圖1(A)及圖1(B)是表示本實(shí)施方式的在一方的面上形成了燃料流路的燃料電池用隔板的構(gòu)成的圖。
本實(shí)施方式中，在燃料電池用隔板的基板103的一方的面上，如圖1(A)所示，設(shè)有燃料流路105，在另一方的面上，如圖1(B)所示，設(shè)有冷卻水流路106。而且，燃料流路105相當(dāng)于圖8的氣體流路38。
如圖1(A)及圖1(B)所示，基板103具有形成向燃料電池組的層疊方向分別供給燃料氣體、空氣及冷卻水的供給流路的燃料供給用第1岐管107、空氣供給用第1岐管167及冷卻水供給用第1岐管111、形成向燃料電池組的層疊方向分別排出燃料氣體、空氣及冷卻水的排出流路的燃料排出用第1岐管109、空氣排出用第1岐管169及冷卻水排出用第1岐管113。
本實(shí)施方式中，冷卻水雖然使用用于冷卻燃料電池的電極的反應(yīng)熱的物質(zhì)，但是最好比燃料氣體或空氣的溫度更高。這樣，就可以抑制燃料氣體或空氣的冷卻。例如，可以將燃料氣體或空氣的溫度設(shè)為65～70℃左右，將冷卻水供給用第1岐管111中冷卻水的溫度設(shè)為71℃左右。
下面將對基板103的各個(gè)面進(jìn)行詳細(xì)說明。
圖1(A)是在一方的面上形成了燃料流路的燃料電池用隔板的基板的設(shè)置了燃料流路的一方的面的立體圖。如圖1(A)所示，在基板103的一方的面上，形成有將燃料氣體從燃料供給用第1岐管107導(dǎo)入的燃料導(dǎo)入流路125、沿矩形的流路形成區(qū)域的長度方向?qū)嵸|(zhì)上相互平行地形成的多條燃料流路105、連接燃料導(dǎo)入流路125和多條燃料流路105的燃料供給用第2岐管115、借助燃料排出用第1岐管109將燃料氣體排出的燃料排出流路127、連接多條燃料流路105和燃料排出流路127的燃料排出用第2岐管117。
冷卻水供給用第1岐管111實(shí)質(zhì)上位于比燃料供給用第1岐管107及空氣供給用第1岐管167更靠上方的位置。即，按照冷卻水供給用第1岐管111的底部比燃料供給用第1岐管107及空氣供給用第1岐管167的底部更靠上方的方式形成。
另外，在燃料供給用第2岐管115和燃料流路105之間，設(shè)有噴嘴141。通過設(shè)置噴嘴141，在燃料流路105的入口區(qū)域就產(chǎn)生阻力。通過按照燃料供給用第2岐管115和噴嘴141或燃料導(dǎo)入流路125的流路的深度相等的方式形成階梯，就可以效率優(yōu)良地供給燃料氣體。作為噴嘴141的材料，例如可以使用樹脂。此時(shí)，優(yōu)選使用成形時(shí)的流動(dòng)性良好且精加工尺寸精度高、略微具有柔性、熱傳導(dǎo)性優(yōu)良的材料，例如可以使用聚縮醛、聚甲基戊烯、聚苯醚、聚苯硫醚、液晶聚合物等一體化成形。
噴嘴141的孔的直徑被按照在燃料流路105的上游產(chǎn)生壓力損失而可以除去冷凝水的方式確定。例如，噴嘴141的孔的直徑可以將入口側(cè)即燃料供給用第2岐管115側(cè)設(shè)為例如0.25mm。此時(shí)，由于被按照使各燃料流路105的壓力損失均勻的方式選擇形狀并設(shè)定，因此在每1條燃料流路105中流動(dòng)的燃料氣體量就被均勻化。另外，可以良好地進(jìn)行燃料流路105的水分控制，防止固體高分子電解質(zhì)膜的干涸或由冷凝生成的水滴造成的燃料流路105的堵塞。所以，電極的電化學(xué)反應(yīng)就會(huì)穩(wěn)定并被均勻化，在全部區(qū)域中可以進(jìn)行良好的電化學(xué)反應(yīng)，燃料電池的輸出穩(wěn)定。
在如此構(gòu)成的燃料電池用隔板中，燃料氣體從燃料供給用第1岐管107經(jīng)由在燃料供給用第1岐管107的側(cè)方形成的燃料導(dǎo)入流路125，到達(dá)燃料供給用第2岐管115，從燃料供給用第2岐管115經(jīng)由噴嘴141向燃料流路105供給。此外，通過了燃料流路105的燃料氣體從燃料排出用第2岐管117經(jīng)由燃料排出流路127到達(dá)燃料排出用第1岐管109，向燃料電池組的層疊方向排出，從而向基板103的外部排出。
圖1(B)是圖1(A)的燃料電池用隔板的基板103的設(shè)置了冷卻水流路106的另一方的面的立體圖。如圖1(B)所示，在基板103的另一方的面上，形成有將冷卻水從冷卻水供給用第1岐管111導(dǎo)入的冷卻水導(dǎo)入流路129、沿矩形的流路形成區(qū)域的長度方向?qū)嵸|(zhì)上相互平行地形成的多條冷卻水流路106、連接冷卻水導(dǎo)入流路129和多條冷卻水流路106的冷卻水供給用第2岐管119、經(jīng)由冷卻水排出用第1岐管113排出冷卻水的冷卻水排出流路131、連接多條冷卻水流路106和冷卻水排出流路131的冷卻水排出用第2岐管121。
另外，在冷卻水流路106的周圍的基板103的表面貼附有密封材料133，形成凸?fàn)畹耐咕?35。所以，在層疊而形成電池組時(shí)，燃料極側(cè)隔板101和另一個(gè)隔板的密接性良好，可以很好地抑制氣體或水的漏出。作為密封材料133，例如可以使用EPDM(乙烯一丙烯一二烯橡膠)等彈性構(gòu)件。
在如此構(gòu)成的燃料電池用隔板中，冷卻水從冷卻水供給用第1岐管111經(jīng)由冷卻水導(dǎo)入流路129到達(dá)冷卻水供給用第2岐管119，從冷卻水供給用第2岐管119向冷卻水流路106供給。此外，通過了冷卻水流路106的冷卻水從冷卻水排出用第2岐管121經(jīng)過冷卻水排出流路131而到達(dá)冷卻水排出用第1岐管113，向燃料電池組的層疊方向排出，從而向基板103外部排出。
圖2(A)及圖2(B)是表示本實(shí)施方式的在一方的面上形成了空氣流路的燃料電池用隔板的構(gòu)成的圖。如圖2(A)及圖2(B)所示，基板149與圖1的基板103相同，具有形成向燃料電池組的層疊方向分別供給燃料氣體、空氣及冷卻水的供給流路的燃料供給用第1岐管107、空氣供給用第1岐管167及冷卻水供給用第1岐管111、形成向燃料電池組的層疊方向分別排出燃料氣體、空氣及冷卻水的排出流路的燃料排出用第1岐管109、空氣排出用第1岐管169及冷卻水排出用第1岐管113。
本實(shí)施方式中，在燃料電池用隔板的基板149的一方的面上，如圖2(A)所示，形成未設(shè)置流路的平坦面。另外，在另一方的面上，如圖2(B)所示，設(shè)有空氣流路153。而且，空氣流路153相當(dāng)于圖8的氣體流路40。
圖2(B)是圖2(A)的燃料電池用隔板的另一方的面的立體圖。如圖2(B)所示，在基板149的另一方的面上，形成有將空氣從空氣供給用第1岐管167導(dǎo)入的空氣導(dǎo)入流路159、沿矩形的流路形成區(qū)域的長度方向相互平行地形成的多條空氣流路153、連接空氣導(dǎo)入流路159和多條空氣流路153的空氣供給用第2岐管155、將空氣借助空氣排出用第1岐管169排出的空氣排出流路170、連接多條空氣流路153和空氣排出流路170的空氣排出用第2岐管157。
而且，在空氣極側(cè)隔板147中，由于在基板149的空氣流路153形成區(qū)域周邊覆蓋有密封材料151，因此就可以利用凸緣(未圖示)確保層疊空氣極側(cè)隔板147時(shí)的密接性。
另外，由于在空氣極供給用第2岐管155和空氣流路153之間，設(shè)有噴嘴141，從而確保用于排出空氣流路153的冷凝水的壓力，因此就可以向空氣流路153內(nèi)均勻地供給空氣。
另外，與圖1(A)的燃料流路側(cè)的燃料電池用隔板相同，通過按照使空氣供給用第2岐管155和噴嘴141或空氣導(dǎo)入流路159的流路的深度相等的方式形成階梯，就可以效率優(yōu)良地供給空氣。
如此構(gòu)成的燃料電池用隔板中，空氣從空氣供給用第1岐管167經(jīng)由在空氣供給用第1岐管167的側(cè)方形成的空氣導(dǎo)入流路159到達(dá)空氣供給用第2岐管155，從空氣供給用第2岐管155經(jīng)過噴嘴141向空氣流路153供給。此外，通過了空氣流路153的空氣從空氣排出用第2岐管157經(jīng)過空氣排出流路170到達(dá)空氣排出用第1岐管169，向燃料電池組的層疊方向排出，從而向基板149外部排出。
如圖1(A)、圖1(B)及圖2(A)、圖2(B)所示，本實(shí)施方式中，燃料導(dǎo)入流路125及空氣導(dǎo)入流路159分別形成于縱長的近似橢圓形的燃料供給用第1岐管107及空氣供給用第1岐管167的上部的側(cè)方。這樣，來自從燃料供給用第1岐管107及空氣供給用第1岐管167導(dǎo)入的被加濕了的燃料氣體及空氣的冷凝水就會(huì)存留在燃料供給用第1岐管107及空氣供給用第1岐管167的底部，而不會(huì)分別進(jìn)入燃料導(dǎo)入流路125及空氣導(dǎo)入流路159中。所以，就可以抑制燃料氣體從燃料供給用第1岐管107的橫向朝燃料供給用第2岐管115移動(dòng)時(shí)或空氣從空氣供給用第1岐管167的橫向朝空氣供給用第2岐管165移動(dòng)時(shí)的冷凝水混入反應(yīng)氣體或空氣中的情況。
另外，本實(shí)施方式中，冷卻水供給用第1岐管111被與燃料供給用第1岐管107及空氣供給用第1岐管167沿近似水平方向排列配置，而且，被實(shí)質(zhì)上配置在燃料供給用第1岐管107及空氣供給用第1岐管167的上方。另外，冷卻水導(dǎo)入流路129被按照形成于冷卻水供給用第1岐管111的下部，冷卻水從冷卻水供給用第1岐管111沿著重力的方向朝向垂直下方流動(dòng)，并且橫切燃料導(dǎo)入流路125及空氣導(dǎo)入流路159的方式形成。
這樣，本來為了冷卻電極的反應(yīng)熱而供給的冷卻水由于在從冷卻水供給用第1岐管111經(jīng)過冷卻水導(dǎo)入流路129朝向冷卻水供給用第2岐管119而流入下方的期間，會(huì)橫切形成了燃料導(dǎo)入流路125及空氣導(dǎo)入流路159的背面，因此就可以利用冷卻水的熱抑制燃料氣體及空氣的冷卻，從而抑制燃料導(dǎo)入流路125及空氣導(dǎo)入流路159的周邊的來自加濕燃料的冷凝水的產(chǎn)生。所以，由于抑制了冷凝水進(jìn)入燃料導(dǎo)入流路125及空氣導(dǎo)入流路159，因此就可以可靠地進(jìn)行燃料氣體及空氣的供給。這樣就可以提供輸出的穩(wěn)定性優(yōu)良的燃料電池。
另外，如圖5所示，本實(shí)施方式中，冷卻水供給用第1岐管111被按照位于燃料供給用第1岐管107及空氣供給用第1岐管167之間，并且與燃料供給用第1岐管107的距離d1一方小于與空氣供給用第1岐管167的距離d2的方式配置。
利用該構(gòu)成，可以更有效地抑制即使在相同氣體溫度下由于供給量小于氧化劑氣體而容易受放熱的影響而溫度降低的燃料氣體側(cè)的冷卻，從而可以抑制燃料氣體側(cè)的冷凝水的產(chǎn)生。
圖9是表示燃料極側(cè)隔板101的其他的構(gòu)成的圖。圖9的燃料極側(cè)隔板101的基本構(gòu)成雖然與圖1(A)的構(gòu)成相同，但是在形成有連接流路227這一點(diǎn)上不同。連接流路227從燃料供給用第1岐管107朝向上部傾斜設(shè)置，與燃料供給用第2岐管115連通。
圖9的構(gòu)成中，連接流路227被設(shè)置成，將經(jīng)過了冷卻水供給用第1岐管111的燃料氣體導(dǎo)向燃料極側(cè)隔板101的上方。所以，燃料氣體在首先被導(dǎo)向燃料極側(cè)隔板101上方后，流向下方的燃料供給用第2岐管115。另外，形成冷卻水在連接流路227的背面流動(dòng)的構(gòu)成。
所以，就可以使因燃料氣體的結(jié)露而產(chǎn)生的冷凝水更可靠地堆積在冷卻水供給用第1岐管111的底部。另一方面，高露點(diǎn)溫度的燃料氣體在連接流路227中朝向上方移動(dòng)。像這樣，在圖9的構(gòu)成中，就可以用簡單的構(gòu)成實(shí)現(xiàn)將冷凝水除去而導(dǎo)向燃料流路105的機(jī)構(gòu)。由此就可以進(jìn)一步可靠地抑制因在連接流路227中移動(dòng)的燃料氣體含有冷凝水而造成的燃料流路105的堵塞。
下面，以燃料極側(cè)隔板101的情況為例，對燃料極側(cè)隔板101及空氣極側(cè)隔板147的制造方法進(jìn)行說明。對于空氣極側(cè)隔板147，也可以相同地進(jìn)行制作。圖10(A)及圖10(B)是用于說明本實(shí)施方式的燃料電池用隔板的制造方法的圖。
燃料極側(cè)隔板101及空氣極側(cè)隔板147可以由碳粉末和熱固化性樹脂粉末的混合物成形。此時(shí)，由于樹脂粉末成為粘結(jié)劑，因此成形十分容易，可以獲得廉價(jià)的板。碳粉末和熱固化性樹脂粉末的配合比例如可以設(shè)為以重量比表示1∶1～19∶1左右。
圖10(A)是表示燃料極側(cè)隔板101的制造工序的圖。另外，圖10(B)是說明其制造的情況的說明圖。如圖10(A)所示，首先，將石墨粉末和熱固化性樹脂均勻地混合調(diào)整而制成特定的混合物(S100)。然后，對該混合物施加2～10MPa的范圍的面壓，預(yù)先冷加工形成與最終成形形狀近似的形狀(S101)。然后，將該預(yù)備成形體如圖10(B)所示，填充在具有特定的最終形狀的模具265內(nèi)(S102)。該狀態(tài)下，將模具265加熱升溫至150～170℃，同時(shí)使壓力機(jī)(未圖示)動(dòng)作。此時(shí)，如圖10(B)所示，通過從箭頭f方向施加10～100MPa優(yōu)選20～50MPa范圍的面壓(S103)，制造與模具265的形狀對應(yīng)的最終形狀的燃料極側(cè)隔板101(S104)。
在如此制造的燃料極側(cè)隔板101中，在將混合物預(yù)備成形為與最終形狀近似的形狀后，將該預(yù)備成形體填充在模具265中，并加熱升溫至150～170℃，同時(shí)，通過施加10～100MPa(優(yōu)選20～50MPa)的高成形面壓，熱固化性樹脂就會(huì)溶解，并且產(chǎn)生熱硬化反應(yīng)，從而可以均質(zhì)地成形為成形體密度較大的特定形狀的燃料極側(cè)隔板101。
(實(shí)施方式2)圖6是表示了本實(shí)施方式的一方的面上形成了燃料流路的燃料電池用隔板的設(shè)置了冷卻水流路的另一方的面的構(gòu)成的圖。圖6的隔板的基本構(gòu)成雖然與圖1(B)相同，但是在冷卻水導(dǎo)入流路129形成于燃料供給用第1岐管107及空氣供給用第1岐管167的外周整體上這一點(diǎn)上不同。
另外，如圖7所示，本實(shí)施方式中也與所述實(shí)施方式相同，冷卻水供給用第1岐管111被按照位于燃料供給用第1岐管107及空氣供給用第1岐管167之間，并且與燃料供給用第1岐管107的距離d1的一方小于與空氣供給用第1岐管167的距離d2的方式配置。
在如此構(gòu)成的本實(shí)施方式的燃料電池中，也可以獲得與實(shí)施方式1相同的效果。另外，本實(shí)施方式的構(gòu)成中，由于按照冷卻水導(dǎo)入流路129覆蓋空氣供給用第1岐管167及燃料供給用第1岐管107的外周整體的方式形成，因此就可以進(jìn)一步可靠地抑制燃料氣體及空氣的冷卻。所以就可以使燃料電池的輸出進(jìn)一步穩(wěn)定化。
以上根據(jù)實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行了說明。這些實(shí)施方式是示例性的，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說可以理解這些各構(gòu)成要素的組合可以實(shí)現(xiàn)各種變形例，另外這樣的變形例也屬于本發(fā)明的范圍中。
例如，所述的實(shí)施方式中，雖然采用了對每一個(gè)單電池50設(shè)置了一條冷卻水流路106的構(gòu)成，但是在需要使燃料電池進(jìn)一步薄型化的情況下，在可以確保冷卻效率的范圍內(nèi)，例如可以實(shí)現(xiàn)對每兩個(gè)單電池50設(shè)置一個(gè)冷卻水流路106等疊層形式的變更。
另外，本發(fā)明的實(shí)施方式的燃料電池中，可以包括僅具有形成了冷卻水流路106的面的隔板。
另外，在燃料極側(cè)隔板101或空氣極側(cè)隔板147中，將密封材料133或密封材料151設(shè)置在流路的周圍的面可以采用與所述的面不同的面，即形成了燃料流路105的面或未形成流路的平滑面。
另外，冷卻水流路106雖然在燃料流路105的背面形成，但是也可以在空氣流路153的背面形成。
另外，也可以交換冷卻水供給用第1岐管111和冷卻水排出用第1岐管113，將冷卻水排出用第1岐管113作為冷卻水的供給用使用，將冷卻水供給用第1岐管111作為冷卻水的排出用使用。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，其特征是，具有包括電解質(zhì)及配設(shè)于該電解質(zhì)的兩面的一對電極的膜電極接合體、夾持所述膜電極接合體的一對隔板，在所述一對隔板上，分別設(shè)有反應(yīng)氣體供給用開口部，并且在一方的面上，具有反應(yīng)氣體流路、將反應(yīng)氣體從所述反應(yīng)氣體供給用開口部導(dǎo)向所述反應(yīng)氣體流路的反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路，在至少一方的所述隔板的所述反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路的背面設(shè)置了冷卻水的流路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征是，所述冷卻水的流路被按照使所述冷卻水在所述反應(yīng)氣體供給用開口部的外周整體流通的方式構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池，其特征是，在所述一對隔板上設(shè)置冷卻水供給用開口部，所述反應(yīng)氣體供給用開口部及所述冷卻水供給用開口部被設(shè)于所述反應(yīng)氣體流路的上方，所述冷卻水供給用開口部實(shí)質(zhì)上位于所述反應(yīng)氣體供給用開口部的上方，所述冷卻水從所述冷卻水開口部流向垂直下方。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池，其特征是，所述冷卻水供給用開口部位于分別供給所述燃料氣體及氧化劑氣體的兩個(gè)所述反應(yīng)氣體供給用開口部之間，與供給所述氧化劑氣體的所述反應(yīng)氣體供給用開口部相比，所述冷卻水供給用開口部更接近供給所述燃料氣體的所述反應(yīng)氣體供給用開口部。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的燃料電池，其特征是，所述反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路包括從所述反應(yīng)氣體供給用開口部朝向上部設(shè)置的連接流路。
6.一種燃料電池隔板，具有反應(yīng)氣體供給用開口部、設(shè)于一方的面上的反應(yīng)氣體流路及從所述反應(yīng)氣體供給用開口部將反應(yīng)氣體導(dǎo)向所述反應(yīng)氣體流路的反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路，在所述反應(yīng)氣體導(dǎo)入流路的背面設(shè)置了冷卻水的流路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池用隔板，其特征是，所述冷卻水的流路被按照使所述冷卻水在所述反應(yīng)氣體供給用開口部的外周整體流通的方式構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種燃料電池，在燃料極側(cè)隔板(101)上，按照位于燃料導(dǎo)入流路(125)及燃料供給用第2岐管(115)的背面的方式形成冷卻水導(dǎo)入流路(129)。根據(jù)本發(fā)明，可以使燃料電池的輸出特性穩(wěn)定。
文檔編號(hào)H01M8/24GK1612390SQ200410086590
公開日2005年5月4日 申請日期2004年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月29日
發(fā)明者吉本保則, 井崎博和, 濱田陽 申請人:三洋電機(jī)株式會(huì)社